System Design of Internet-of-Things for Residential Smart Grid

Internet-of-Things (IoTs) envisions to integrate, coordinate, communicate, and collaborate real-world objects in order to perform daily tasks in a more intelligent and efficient manner. To comprehend this vision, this paper studies the design of a large scale IoT system for smart grid application, which constitutes a large number of home users and has the requirement of fast response time. In particular, we focus on the messaging protocol of a universal IoT home gateway, where our cloud enabled system consists of a backend server, unified home gateway (UHG) at the end users, and user interface for mobile devices. We discuss the features of such IoT system to support a large scale deployment with a UHG and real-time residential smart grid applications. Based on the requirements, we design an IoT system using the XMPP protocol, and implemented in a testbed for energy management applications. To show the effectiveness of the designed testbed, we present some results using the proposed IoT architecture.Comment: 10 pages, 6 figures, journal pape

Energy Resources Management Enabled by Internet of Things Devices

The participation of small end-users in the smart grid brings benefits for the end-users and for the smart grid. This paper will treat end-users using communities involving energy sharing between private buildings (residential and commercial) and public buildings. The energy can be shared among end-users and the community can be managed centralized. The paper uses IoT devices to enable the active participation of end-users. The use of this type of devices is growing and more and more market available product are appearing. The remote control and monitor capabilities, provided by the normality of IoT devices, can and should be used in energy management systems as enablers. This paper uses IoT devices, located in end-users, to enable the participation of these player in the community. The paper will propose a smart energy community platform and show its results.The present work was done and funded in the scope of the following projects: European Union's Horizon 2020 project DOMINOES (grant agreement No 771066), and UID/EEA/00760/2019 funded by FEDER Funds through COMPETE program and by National Funds through FCT.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

A novel smart energy management as a service over a cloud computing platform for nanogrid appliances

There will be a dearth of electrical energy in the world in the future due to exponential increase in electrical energy demand of rapidly growing world population. With the development of Internet of Things (IoT), more smart appliances will be integrated into homes in smart cities that actively participate in the electricity market by demand response programs to efficiently manage energy in order to meet this increasing energy demand. Thus, with this incitement, the energy management strategy using a price-based demand response program is developed for IoT-enabled residential buildings. We propose a new EMS for smart homes for IoT-enabled residential building smart devices by scheduling to minimize cost of electricity, alleviate peak-to-average ratio, correct power factor, automatic protective appliances, and maximize user comfort. In this method, every home appliance is interfaced with an IoT entity (a data acquisition module) with a specific IP address, which results in a wide wireless system of devices. There are two components of the proposed system: software and hardware. The hardware is composed of a base station unit (BSU) and many terminal units (TUs). The software comprises Wi-Fi network programming as well as system protocol. In this study, a message queue telemetry transportation (MQTT) broker was installed on the boards of BSU and TU. In this paper, we present a low-cost platform for the monitoring and helping decision making about different areas in a neighboring community for efficient management and maintenance, using information and communication technologies. The findings of the experiments demonstrated the feasibility and viability of the proposed method for energy management in various modes. The proposed method increases effective energy utilization, which in turn increases the sustainability of IoT-enabled homes in smart cities. The proposed strategy automatically responds to power factor correction, to protective home appliances, and to price-based demand response programs to combat the major problem of the demand response programs, which is the limitation of consumer’s knowledge to respond upon receiving demand response signals. The schedule controller proposed in this paper achieved an energy saving of 6.347 kWh real power per day, this paper achieved saving 7.282 kWh apparent power per day, and the proposed algorithm in our paper saved $2.3228388 per day

Hybrid Advanced Optimization Methods with Evolutionary Computation Techniques in Energy Forecasting

More accurate and precise energy demand forecasts are required when energy decisions are made in a competitive environment. Particularly in the Big Data era, forecasting models are always based on a complex function combination, and energy data are always complicated. Examples include seasonality, cyclicity, fluctuation, dynamic nonlinearity, and so on. These forecasting models have resulted in an over-reliance on the use of informal judgment and higher expenses when lacking the ability to determine data characteristics and patterns. The hybridization of optimization methods and superior evolutionary algorithms can provide important improvements via good parameter determinations in the optimization process, which is of great assistance to actions taken by energy decision-makers. This book aimed to attract researchers with an interest in the research areas described above. Specifically, it sought contributions to the development of any hybrid optimization methods (e.g., quadratic programming techniques, chaotic mapping, fuzzy inference theory, quantum computing, etc.) with advanced algorithms (e.g., genetic algorithms, ant colony optimization, particle swarm optimization algorithm, etc.) that have superior capabilities over the traditional optimization approaches to overcome some embedded drawbacks, and the application of these advanced hybrid approaches to significantly improve forecasting accuracy

μGIM - Microgrid intelligent management system based on a multi-agent approach and the active participation of end-users

[ES] Los sistemas de potencia y energía están cambiando su paradigma tradicional, de sistemas centralizados a sistemas descentralizados. La aparición de redes inteligentes permite la integración de recursos energéticos descentralizados y promueve la gestión inclusiva que involucra a los usuarios finales, impulsada por la gestión del lado de la demanda, la energía transactiva y la respuesta a la demanda. Garantizar la escalabilidad y la estabilidad del servicio proporcionado por la red, en este nuevo paradigma de redes inteligentes, es más difícil porque no hay una única sala de operaciones centralizada donde se tomen todas las decisiones. Para implementar con éxito redes inteligentes, es necesario combinar esfuerzos entre la ingeniería eléctrica y la ingeniería informática. La ingeniería eléctrica debe garantizar el correcto funcionamiento físico de las redes inteligentes y de sus componentes, estableciendo las bases para un adecuado monitoreo, control, gestión, y métodos de operación. La ingeniería informática desempeña un papel importante al proporcionar los modelos y herramientas computacionales adecuados para administrar y operar la red inteligente y sus partes constituyentes, representando adecuadamente a todos los diferentes actores involucrados. Estos modelos deben considerar los objetivos individuales y comunes de los actores que proporcionan las bases para garantizar interacciones competitivas y cooperativas capaces de satisfacer a los actores individuales, así como cumplir con los requisitos comunes con respecto a la sostenibilidad técnica, ambiental y económica del Sistema. La naturaleza distribuida de las redes inteligentes permite, incentiva y beneficia enormemente la participación activa de los usuarios finales, desde actores grandes hasta actores más pequeños, como los consumidores residenciales. Uno de los principales problemas en la planificación y operación de redes eléctricas es la variación de la demanda de energía, que a menudo se duplica más que durante las horas pico en comparación con la demanda fuera de pico. Tradicionalmente, esta variación dio como resultado la construcción de plantas de generación de energía y grandes inversiones en líneas de red y subestaciones. El uso masivo de fuentes de energía renovables implica mayor volatilidad en lo relativo a la generación, lo que hace que sea más difícil equilibrar el consumo y la generación. La participación de los actores de la red inteligente, habilitada por la energía transactiva y la respuesta a la demanda, puede proporcionar flexibilidad en desde el punto de vista de la demanda, facilitando la operación del sistema y haciendo frente a la creciente participación de las energías renovables. En el ámbito de las redes inteligentes, es posible construir y operar redes más pequeñas, llamadas microrredes. Esas son redes geográficamente limitadas con gestión y operación local. Pueden verse como áreas geográficas restringidas para las cuales la red eléctrica generalmente opera físicamente conectada a la red principal, pero también puede operar en modo isla, lo que proporciona independencia de la red principal. Esta investigación de doctorado, realizada bajo el Programa de Doctorado en Ingeniería Informática de la Universidad de Salamanca, aborda el estudio y el análisis de la gestión de microrredes, considerando la participación activa de los usuarios finales y la gestión energética de lascarga eléctrica y los recursos energéticos de los usuarios finales. En este trabajo de investigación se ha analizado el uso de conceptos de ingeniería informática, particularmente del campo de la inteligencia artificial, para apoyar la gestión de las microrredes, proponiendo un sistema de gestión inteligente de microrredes (μGIM) basado en un enfoque de múltiples agentes y en la participación activa de usuarios. Esta solución se compone de tres sistemas que combinan hardware y software: el emulador de virtual a realidad (V2R), el enchufe inteligente de conciencia ambiental de Internet de las cosas (EnAPlug), y la computadora de placa única para energía basada en el agente (S4E) para permitir la gestión del lado de la demanda y la energía transactiva. Estos sistemas fueron concebidos, desarrollados y probados para permitir la validación de metodologías de gestión de microrredes, es decir, para la participación de los usuarios finales y para la optimización inteligente de los recursos. Este documento presenta todos los principales modelos y resultados obtenidos durante esta investigación de doctorado, con respecto a análisis de vanguardia, concepción de sistemas, desarrollo de sistemas, resultados de experimentación y descubrimientos principales. Los sistemas se han evaluado en escenarios reales, desde laboratorios hasta sitios piloto. En total, se han publicado veinte artículos científicos, de los cuales nueve se han hecho en revistas especializadas. Esta investigación de doctorado realizó contribuciones a dos proyectos H2020 (DOMINOES y DREAM-GO), dos proyectos ITEA (M2MGrids y SPEAR), tres proyectos portugueses (SIMOCE, NetEffiCity y AVIGAE) y un proyecto con financiación en cascada H2020 (Eco-Rural -IoT)